第三代半導體為什么這樣火?4 張圖秒懂GaN、SiC 關(guān)鍵技術(shù)

2022-08-01

第三代半導體是目前高科技領(lǐng)域最熱門(mén)的話(huà)題,在5G、電動(dòng)車(chē)、再生能源、工業(yè)4.0發(fā)展中扮演不可或缺的角色,即使常聽(tīng)到這些消息,相信許多人對它仍一知半解,那么第三代半導體到底是什么?對此,本系列專(zhuān)題將用最淺顯易懂、最全方位的角度,帶你了解這個(gè)足以影響科技產(chǎn)業(yè)未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)。

第三代半導體、寬帶隙是什么?

講到第三代半導體,首先簡(jiǎn)單介紹一下第一、二代半導體。在半導體材料領(lǐng)域中,第一代半導體是「硅」(Si),第二代半導體是「砷化鎵」(GaAs),第三代半導體(又稱(chēng)「寬帶隙半導體」,WBG)則是「碳化硅」(SiC)和「氮化鎵」(GaN)。

寬帶隙半導體中的「帶隙」(Energy gap),如果用最白話(huà)的方式說(shuō)明,代表著(zhù)「一個(gè)能量的差距」,意即讓一個(gè)半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。

第一、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料,數值分別為1.12 eV(電子伏特)和1.43 eV,第三代(寬帶隙)半導體的帶隙,SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV,因此當遇到高溫、高壓、高電流時(shí),跟一、二代比起來(lái),第三代半導體不會(huì )輕易從絕緣變成導電,特性更穩定,能源轉換也更好。

一般人常有的第三代半導體迷思

隨著(zhù)5G、電動(dòng)車(chē)時(shí)代來(lái)臨,科技產(chǎn)品對于高頻、高速運算、高速充電的需求上升,硅與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限,難以提升電量和速度;一旦操作溫度超過(guò)100度時(shí),前兩代產(chǎn)品更容易故障,因此無(wú)法應用在更嚴苛的環(huán)境;再加上全球開(kāi)始重視碳排放問(wèn)題,因此高能效、低能耗的第三代半導體成為時(shí)代下的新寵兒。

第三代半導體在高頻狀態(tài)下仍可以維持優(yōu)異的效能和穩定度,同時(shí)擁有開(kāi)關(guān)速度快、尺寸小、散熱迅速等特性,當芯片面積大幅減少后,有助于簡(jiǎn)化周邊電路設計,進(jìn)而減少模組及冷卻系統的體積。

很多人以為,第三代半導體與先進(jìn)制程一樣,是從第一、二代半導體的技術(shù)累積而來(lái),其實(shí)不盡然。從圖中來(lái)看,這三代半導體其實(shí)是平行狀態(tài),各自發(fā)展技術(shù)。

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▲ 第三代半導體到了2000 年后,開(kāi)始陸續推出產(chǎn)品

SiC 和 GaN 各具優(yōu)勢、發(fā)展領(lǐng)域不同

了解到前三代半導體差異后,我們接著(zhù)聚焦于第三代半導體的材料——SiC和GaN,這兩種材料的應用領(lǐng)域略有不同,目前GaN組件常用于電壓900V以下之領(lǐng)域,例如充電器、基站、5G通訊相關(guān)等高頻產(chǎn)品;SiC則是電壓大于1200 V,比如電動(dòng)車(chē)相關(guān)應用。

SiC 是由硅(Si)與碳(C)組成,結合力強,在熱量上、化學(xué)上、機械上都穩定,由于低耗損、高功率的特性,SiC 適合高壓、大電流的應用場(chǎng)景,例如電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)車(chē)充電基礎設施、太陽(yáng)能及離岸風(fēng)電等綠色能源發(fā)電設備。

另外,SiC 本身是「同質(zhì)磊晶」技術(shù),所以品質(zhì)好、組件可靠度佳,這也是電動(dòng)車(chē)選擇使用它的主因,加上又是垂直元件,因此功率密度高。

現今電動(dòng)車(chē)的電池動(dòng)力系統主要是200V-450V,更高端的車(chē)款將朝向800V發(fā)展,這將是SiC的主力市場(chǎng)。不過(guò),SiC 晶圓制造難度高,對于長(cháng)晶的源頭晶種要求高,不易取得,加上長(cháng)晶技術(shù)困難,因此目前仍無(wú)法順利量產(chǎn),后面會(huì )多加詳述。

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▲ SiC 和 GaN 基板應用示意圖

GaN 為橫向組件,生長(cháng)在不同基板上,例如 SiC 或 Si 基板,為「異質(zhì)磊晶」技術(shù),生產(chǎn)出來(lái)的 GaN 薄膜品質(zhì)較差,雖然目前能應用在快充等民生消費領(lǐng)域,但用于電動(dòng)車(chē)或工業(yè)上則有些疑慮,同時(shí)也是廠(chǎng)商極欲突破的方向。

GaN 應用領(lǐng)域則包括高壓功率器件(Power)、高射頻組件(RF),Power 常做為電源轉換器、整流器,而平常使用的藍牙、Wi-Fi、GPS 定位則是 RF 射頻元件的應用范圍之一。

若以基板技術(shù)來(lái)看,GaN 基板生產(chǎn)成本較高,因此GaN 組件皆以硅為基板,目前市場(chǎng)上的GaN功率元件以GaN-on-Si(硅基氮化鎵)以及GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)兩種晶圓進(jìn)行制造。

一般常聽(tīng)到的GaN制程技術(shù)應用,例如上述的GaN RF射頻器件及PowerGaN,都來(lái)自GaN-on-Si的基板技術(shù);至于GaN-on-SiC基板技術(shù),由于碳化硅基板(SiC)制造困難,技術(shù)主要掌握在國際少數廠(chǎng)商手上,例如美國科銳(Cree)、II-VI及羅姆半導體(ROHM)。

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▲ 射頻組件、Power GaN 都來(lái)自 GaN-on-Si 技術(shù)

磊晶技術(shù)困難、關(guān)鍵SiC基板由國際大廠(chǎng)主導

第三代半導體(包括SiC基板)產(chǎn)業(yè)鏈依序為基板、磊晶、設計、制造、封裝,不論在材料、IC設計及制造技術(shù)上,仍由國際IDM廠(chǎng)主導,代工生存空間小,目前臺灣地區的供貨商主要集中在上游材料(基板、磊晶)與晶圓代工。

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▲ 第三代半導體的晶圓制程 

從技術(shù)層面來(lái)看,GaN-on-Si和GaN-on-SiC有不同問(wèn)題待解決,除了制程困難、成本高昂外,光是材料端的基板、磊晶技術(shù)難度就高,因此未能放量生產(chǎn)。GaN-on-Si制程要將氮化鎵磊晶長(cháng)在硅基材上,有晶格不匹配的問(wèn)題須克服。

至于GaN-on-SiC的關(guān)鍵材料SiC基板,制程更是繁雜、困難,過(guò)程需要長(cháng)晶、切割、研磨。生產(chǎn)SiC的單晶晶棒比Si晶棒困難,時(shí)間也更久,Si長(cháng)晶約3天就能制出高度200公分的晶棒,但SiC需要7天才能長(cháng)出2到5公分的晶球,加上SiC材質(zhì)硬又脆,切割、研磨難度更高。

目前SiC基板主要由Cree、II-VI、英飛凌(Infineon)、意法半導體(STM)、ROHM、三菱電機(Mitsubishi)、富士電機(Fuji Electric)等國際大廠(chǎng)主導,以6吋或8寸晶圓為主;臺廠(chǎng)則以4寸為主,6吋晶圓技術(shù)尚未規?;a(chǎn)。

許多國家將SiC材料視為戰略性資源,代工廠(chǎng)要取得相對困難,原料價(jià)格也高;相較于SiC、GaN-on-Si可用于車(chē)用市場(chǎng)和快充,GaN-on-SiC應用方向不夠明確,因此全力投入開(kāi)發(fā)仍需要一段時(shí)間。


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